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Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels stellt die energetische Verwertung von Biomasse (NaWaRo, Bioenergie) eine Option zur Minderung der globalen Treibhausgas-Emissionen dar. Im Jahr 2011 betrug der Anteil der Bioenergie am deutschen Endenergieverbrauch 8,2 %. Zur Einhaltung politischer Klimaschutzziele ist von einer Ausweitung der NaWaRo-Anbaufläche auszugehen. Aus Sicht des vorsorgenden Bodenschutzes ist dabei relevant, dass mit dem Biomasseanbau sowohl positive als auch negative Effekte für das Schutzgut Boden einhergehen können. Befürchtet werden u.a. ein weiterer Rückgang der (Boden-)Biodiversität in den Agrarlandschaften sowie eine Reduktion der organischen Kohlenstoffvorräte des Bodens (Verlust an Bodenqualität, Quelle für Treibhausgase) infolge der Intensivierung der landwirtschaftlichen Bodennutzung. Dahingegen könnten extensive Landnutzungsformen jedoch bspw. auch zu einer Förderung der Biodiversität beitragen. Für die zukünftige Ausrichtung des Biomasseanbaus ist daher eine umfassende Evaluation der vorhandenen Anbausysteme notwendig. Anhand der Energiepflanzen Raps, Mais und Miscanthus wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Effekte des Biomasseanbaus auf die für die Bodenfunktionen relevanten Schlüsselfaktoren Boden-Biodiversität und Humusgehalt ermittelt. Raps und Mais waren im Vergleich zu Miscanthus durch eine geringere Biodiversität gekennzeichnet. Langjähriger Miscanthus-Anbau führte zudem zu einer C-Akkumulation im Boden. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Quantifizierung der Netto-Energieerträge, der Energieeffizienz sowie des Treibhausgas-Minderungspotenzials der Anbausysteme. Alle bilanzierten Energiepflanzen-Anbausysteme erzielten Energiegewinne und führten zu einer Reduktion der Treibhausgasemissionen. Den naturwissenschaftlichen Studien schloss sich eine Analyse der gegenwärtigen Regelungen zur guten fachlichen Praxis (gfP) als zentralem Steuerungselement des vorsorgenden Bodenschutzes an. Diese diente zur Klärung der Frage, ob es hinsichtlich des Biomasseanbaus einer NaWaRo-spezifischen Konkretisierung der Grundsätzekataloge zur gfP im Recht der Landwirtschaft bedarf. Auf den Ergebnissen der natur- und rechtswissenschaftlichen Studien aufbauend wurden die mit der energetischen Verwertung von Biomasse einhergehenden Effekte auf die Schutzgüter Boden und Klima anhand des internen Zielkonfliktes des -§ 1 Abs. 3 Nr. 2 und 4 BNatSchG, welcher exemplarisch für das Spannungsfeld zwischen Landwirtschaft und Naturschutz steht, bewertet. Insgesamt ist der Ausbau der erneuerbaren Energien ein geeignetes und erforderliches Mittel zum Schutze des Klimas und der Luft. Sofern die Grundsätze der gfP zum Schutze des Bodens konsequent umgesetzt werden, muss der Anbau nachwachsender Rohstoffe zur Bioenergie-Produktion in diesem Zusammenhang als allgemein verhältnismäßig, im Besonderen aber auch als angemessene Maßnahme hinsichtlich der sonstigen Anforderungen des Bodenschutzes, angesehen werden. Den Abschluss der Arbeit bildet ein nicht als abschließend zu verstehender Katalog NaWaRo-spezifischer sowie allgemeiner Konkretisierungsvorschläge zur guten fachlichen Praxis.
Die Notwendigkeit einer ökologischen Aufwertung kleiner urbaner Gewässer und damit einer effektiven Siedlungswasserwirtschaft ist in den Fokus gerückt und wurde zum Bestandteil der Wasserrahmenrichtlinie ( 2000/60/EG). Die Zunahme von Regenwassermanagementsystemen und die Renaturierung kanalisierter Gewässerabschnitte führt zu einer Integration von Flüssen und Bächen in das städtische Umfeld. Diese Arbeit fokussiert die zeitlich hochaufgelöste Analyse des Stofftransports während Abflussereignissen in mesoskaligen Einzugsgebieten. Es wird untersucht, ob die Landnutzung und die Entwässerungssysteme von Siedlungsflächen, die Abflusssdynamik und die Stoffkonzentrationen beeinflussen. Beleuchtet wird, inwieweit naturnahe Regenwassermanagementsysteme in Siedlungsgebieten den natürlichen Wasserhaushalt erhalten und eine Gewässerbelastung reduzieren. Untersucht werden die Schadstoffdynamiken und -frachten dreier verschiedener Einzugsgebiete, ähnlich hinsichtlich Einzugsgebietsgröße, Topographie und klimatischen Bedingungen, aber unterschiedlich in Landnutzung und Entwässerungssystemen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Ableitungsart des Regenwassers aus den Siedlungsgebieten auf die Abflussdynamik und die Schadstoffverlagerung auf unterschiedlichen Skalen untersucht. Abflussganglinien und Chemographen aller Gewässer zeigen große Schwankungen während und zwischen Hochwasserereignissen. Kurzfristige Konzentrationen sind sehr hoch und können nur mittels zeitlich hochaufgelöster Beprobung bestimmt werden. Frachten und mittlere Ereigniskonzentrationen weisen eine hohe Variabilität in Abhängigkeit von vorangehenden hydro-klimatischen Bedingungen auf. Erhöhte Schadstoffkonzentrationen treten in einem ländlich geprägten Einzugsgebiet in Verbindung mit Regenfällen durch Remobilisierung von Schadstoffen aus der Kanalisation auf. In einem städtisch geprägten Vorfluter sind Schadstoffbelastungen mit dem Basisabfluss aufgrund sanitärer Fehlanschlüsse und Kläranlageneinleitungen das ganze Jahr über bedeutsam. Ein biologischer Test zur Bestimmung östrogener Aktivität zeigt, dass die Toxizität von der Kläranlagentechnologie und deren Elimination östrogener Wirkstoffe abhängt. Saisonale Effekte, durch steigende östrogene Aktivität im Sommer und abnehmende Aktivität im Winter aufgrund der Verdünnung durch Boden- und Grundwasser, konnten beobachtet werden. Dezentrale Regenrückhalte führen zum Erhalt des quasi-natürlichen Wasserhaushaltes und zur Dämpfung von Abflussspitzen im Vorfluter. Die Beprobung der Zuläufe und des Ablaufes einer Retentionsfläche zeigt die Reduktion der Maximalkonzentrationen sowie der jährlichen Frachten von Xenobiotika. Mit zunehmender Einzugsgebietsgröße nimmt die Anzahl und Diversität der Entwässerungssysteme zu. Die Skalenabhängigkeit der Gewässerbelastung ergibt sich aus dem Vorhandensein und Zusammenwirken von Misch- und Trennkanalisationen, sowie Regenwassermanagementsysteme, und Kläranlageneinläufen. Vor allem Mischwasserkanalüberläufe führen zu einer hydraulischen Belastung sowie zu hohen Momentankonzentrationen der Xenobiotika. Regenwassermanagementsysteme tragen zu einer deutlichen Reduktion der chemischen und hydraulischen Belastung des Gewässers bei. Dies führt zu einer Entlastung der Vorfluter und zu einem besseren ökologischen Zustand, wie durch die Wasserrahmenrichtlinie gefordert.
Der Aufbau einer Klassifikation von Einzugsgebieten (EZG) auf Basis des Abflussverhaltens und der Gebietseigenschaften sowie die Regionalisierung von Abflussparametern sind Kernthemen der Hydrologie. Die Ziele dieser Arbeit sind der Aufbau einer Klassifikation für EZGs mit hoher räumlicher Auflösung nach dem Abflussverhalten und der Gebietseigenschaften, die Identifikation abflussrelevanter, physiogeografischer und klimatischer Gebietseigenschaften und die Regionalisierung von Abflussverhalten und Modellparametern auf Basis von Klassifikationen. Dabei wird untersucht, ob sich 53 häufig benachbarte und z.T. ineinander geschachtelte Einzugsgebiete in Rheinland-Pfalz für eine Klassifikation eignen und wie das Abflussverhalten für die Beurteilung von Ähnlichkeiten beschrieben werden kann. Das Abflussverhalten der EZGs wird mit einer großen Anzahl von Ereignis-Abflussbeiwerten je EZG und Abflussdauerlinien (Flow-Duration Curves) der EZGs beschrieben, die das Abflussverhalten umfassend und mit einer ausreichenden Trennschärfe abbilden. Gebietseigenschaften, die das Abflussgeschehen dieser EZG dominieren, sind langjährige, mittlere Niederschlagssummen, die mittlere potentielle Verdunstung, die Topografie und die Speichermöglichkeiten im EZG. Für den Aufbau und die Anwendung der EZG-Klassifikationen wird ein hierfür entwickeltes Verfahren eingesetzt, dass auf Selbstorganisierenden Merkmalskarten (Self-Organizing Maps, SOM) basiert. Vorteile dieses Verfahrens gegenüber vielen konventionellen Verfahren sind Qualitätsmaße, die datenbasierte Bestimmung wichtiger Parameter, aussagestarke Visualisierungen der Ergebnisse und die Klassifikation und Regionalisierung mit einer Methode. Die Auswertung von zwei separaten Klassifikationen, nach dem Abflussverhalten und nach den physiogeografischen und klimatischen Gebietseigenschaften, stellen einen direkten Zusammenhang zwischen Abfluss- und Gebietseigenschaften her. Der Überschneidungsbereich der beiden Klassifikationen ist die Grundlage für die Übertragung von Abflussinformationen auf unbeobachtete Gebiete (Regionalisierung). Die Ergebnisse zeigen, dass die Methode der Clusteranalyse, Klassifikation und Regionalisierung mit SOM und den genannten Abfluss- und Gebietskennwerten geeignet ist, EZGs mit einer hohen räumlichen Auflösung treffend und detailliert zu klassifizieren sowie Abflussparameter zu regionalisieren.
Die in einem Einzugsgebiet herrschende räumliche Inhomogenität wird im Wasserhaushaltsmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Modell) in den einzelnen Modellkomponenten unterschiedlich stark berücksichtigt. Insbesondere die räumliche Verteilung der Abflussprozesse wurde bisher nicht berücksichtigt, weil keine flächenhaft verfügbare Information über eben diese Verteilung vorlag. Für das Einzugsgebiet der Nahe liegt nun seit dem Jahr 2007 eine Bodenhydrologische Karte vor, die flächenhaft den bei ausreichenden Niederschlägen zu erwartenden Abflussprozess ausweist. In der vorliegenden Dissertation wird die Nutzung dieser Prozessinformation bei der Parametrisierung des Bodenmoduls von LARSIM beschrieben: Für drei Prozessgruppen " gesättigter Oberflächenabfluss, Abfluss im Boden, Tiefenversickerung " werden mittels zweier neuer Parameter P_Bilanz und P_Dämpfung inhomogene Parametersätze aus empirisch ermittelten Kennfeldern gewählt, um die Prozessinformation bei der Abflussbildung im Modell zu berücksichtigen. Für die Abbildung der Prozessintensitäten in den Gebietsspeichern werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die sich in ihrer Komplexität unterscheiden. In der ersten Variante werden fünf Oberflächenabflussspeicher für unterschiedlich schnell reagierende Prozessgruppen eingeführt, in der zweiten Variante wird der erste Ansatz mit dem ursprünglichen Schwellenwert zur Aufteilung in schnelle und langsame Oberflächenabflusskomponenten kombiniert. Es wird gezeigt, dass die Parametrisierung mit den beiden neuen Parametern P_Bilanz und P_Dämpfung einfacher, effektiver und effizienter ist, da beide Parameter minimale Interaktionen aufweisen und in ihrer Wirkungsweise leicht verständlich sind, was auf die ursprünglichen Bodenparameter nicht zutrifft. Es wird ein Arbeitsfluss vorgestellt, in dem die neuen Parameter in Kombination mit Signature Measures und unterschiedlichen Darstellungen der Abflussdauerlinie gemeinsam genutzt werden können, um in wenigen Arbeitsschritten eine Anpassung des Modells in neuen Einzugsgebieten vorzunehmen. Die Methode wurde durch Anwendung in drei Gebieten validiert. In den drei Gebieten konnte in wenigen Kalibrierungsschritten die Simulationsgüte der ursprünglichen Version erreicht und " je nach Zielsetzung " übertroffen werden. Hinsichtlich der Gütemaße zeigte sich bei der Variante, in der die Gebietsspeicher nicht modifiziert wurden, aber kein eindeutiges Bild, ob die ursprüngliche Parametrisierung oder die neue grundsätzlich überlegen ist. Neben der Auswertung der Validierungszeiträume wurden dabei auch die simulierten Ganglinien in geschachtelten Gebieten betrachtet. Die Version, in der die Gebietsspeicher modifiziert wurden, zeigt hingegen vor allem im Validierungszeitraum tendenziell bessere Simulationsergebnisse. Hinsichtlich der Abbildung der Abflussprozesse ist das neue Verfahren dem alten deutlich überlegen: Es resultiert in plausiblen Anteilen von Abflusskomponenten, deren Verteilung und Abhängigkeit von Speicherkapazitäten, Landnutzungen und Eingangsdaten systematisch ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass vor allem die Speicherkapazität des Bodens einen signifikanten Einfluss hat, der aber im hydrologischen Sinn richtig und hinsichtlich der Modellannahmen plausibel ist. Es wird deutlich gemacht, dass die Einschränkungen, die sich ergeben haben, aufgrund der Modellannahmen zustande kommen, und dass ohne die Änderung dieser Annahmen keine bessere Abbildung möglich ist. Für die Zukunft werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Annahmen modifiziert werden können, um eine bessere Abbildung zu erzielen, indem der bereits bestehende Infiltrationsansatz in die Methode integriert wird.
In der Forschung zur aktuellen Prozessdynamik der Bodenerosion sind Niederschlagssimulationen mit kleinen mobilen Beregnungsanlagen (KBA) ein unverzichtbarer Bestandteil. Weltweit werden sehr viele KBA unterschiedlicher Bauart, Plotgrößen, Tropfenerzeugung, Niederschlagsintensitäten, und -spektren eingesetzt. Eine Standardisierung der Anlagen ist aufgrund der Verschiedenheit der Forschungsfelder und -fragen nicht in Sicht. Darüber hinaus sind die erzeugten Niederschläge (Nd) der Anlagen unzureichend genau charakterisiert und es liegt keine einheitliche Datenbasis aller relevanten Parameter vor. Zudem werden mit KBA bisher ausschließlich Starkregen unter windstillen Bedingungen simuliert, obwohl Wind einen deutlichen Einfluss auf fallende Regentropfen ausübt. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teile: (1) Weiterentwicklung und Anwendung von KBA: Wie lässt sich die Performance der Trierer KBA optimieren und eine einheitliche Mess- und Kalibrierungsmethode für den simulierten Niederschlag definieren? Welche Anforderungen, Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungsbereiche gibt es? (2) Vergleich verschiedener Typen von KBA im Gelände: Inwieweit sind Nd-Charakteristika, Oberflächen-¬abflussgenerierungen und Bodenabträge europäischer KBA vergleichbar? (3) Implemen-¬tierung von windbeschleunigtem Regen in KBA mit dem neuen mobilen Trierer Windregenkanal (WiReKa): Wie kann Wind in ein KBA-Setting integriert werden? Wie sind Unterschiede von Erosionsraten mit und ohne Windeinfluss in-situ zu quantifizieren und wie hoch fallen sie aus? Im ersten Teil der Arbeit wurde zunächst die Nd-Charakteristik der langjährig von der Physischen Geographie eingesetzten KBA mit unterschiedlichen, weltweit angewandten Messmethoden untersucht. Dabei zeigten sich einige Schwächen der KBA bezüglich ihrer Funktionalität. Der Einsatz verschiedener Mess-¬methoden zur Charakterisierung des künstlich erzeugten Nd führte zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Mittels Laser-Niederschlags-Monitor (LNM) und Nd-Sammlern wurde daher ein einheitliches Testverfahren entwickelt, das eine detaillierte Aufnahme, Auswertung und Darstellung der relevanten Nd-Parameter nahezu aller KBA-Designs ermöglicht. Mit Hilfe dieses Testverfahrens wurden Nd-Charakteristik, Funktionalität und Mobilität der Trierer KBA durch technische Veränderungen deutlich verbessert. Alle Parameter dieser Anlage sind nun bekannt und lassen sich zuverlässig reproduzieren. Die Anforderungen, Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von KBA wurden detailliert erarbeitet und beschrieben. Auf dem "International Rainfall Simulator Workshop" in Trier konnte mit 40 Wissenschaftlern aus 11 Nationen Einigkeit über grundlegende Aspekte beim Bau und Einsatz von KBA erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Arbeitsmethoden und Ergebnisse eines in internationaler Kooperation durchgeführten Projektes zu Messmethoden und Vergleichbarkeit von Simulatordesigns und Nd-Charakteristika unterschiedlicher europäischer KBA vor. An 13 Instituten in Deutschland, den Niederlanden, der Schweiz und Spanien wurde mit dem Trierer Testverfahren eine einheitliche Datenbasis aller wesentlichen Nd-Parameter erstellt. Im praktischen Teil des Rainfall Simulator Workshop in Trier wurden dann vergleichende Versuche mit sieben KBA auf einer universitätsnahen Versuchsfläche zur Oberflächenabflussgenerierung und zum Bodenabtrag durchgeführt. Vor allem die (maximale) Sedimentkonzentration einer Simulation hat sich dabei als gute Vergleichsgröße herausgestellt. Differenzen in den gemessenen Oberflachenabfluss- und Sedimentmengen sind ganz klar unterschiedlichen Nd zuzuordnen. Der zeitliche Ablauf des Oberflächenabfluss- und Erosionsverhalten differiert dagegen nur bei zunehmender Plotgröße. Im dritten Teil der Arbeit wird analysiert, wie windbeschleunigter Regen in einer KBA simuliert werden kann. Darüber hinaus wurde eine spezielle Testreihenfolge für die Erosionsmessungen entwickelt, deren Praktikabilität sich in der Anwendung bewährt hat. Es konnten stark erhöhte Abtragsraten aufgrund der Zuschaltung von Wind zu der Regensimulation auf kohäsionslosem sandigen Substrat quantifiziert werden. Das Dissertationsprojekt kann auf mehreren Ebenen als erfolgreich angesehen werden: Die Arbeit mit den Trierer KBA konnte qualitativ verbessert werden insofern, als die Anlagenparameter optimiert und die Güte der produzierten Daten gewährleistet werden konnte. Darüber hinaus konnten die gewonnenen Erkenntnisse durch eine gezielte internationale Vernetzung in Wert gesetzt und die Zusammenarbeit auf der operationalen Ebene gestärkt werden.
Rinnen werden als effektive Sedimentquellen und als Transportwege für große Sedimentmengen angesehen, zusätzlich agieren sie als bevorzugte Fließwege für den Oberflächenabfluss. Sie können sich zu irreversiblen Formen (Gullys) weiterentwickeln. Trotz Fortschritten in der Modellierung bleibt insbesondere die Modellierung von Rinnenerosion schwierig. Daher ist es wichtig, experimentelle Daten aus Geländeversuchen zu erheben, um das Prozesswissen zu verbessern und bessere Modelle zu entwickeln. In den Experimenten sollte eine standardisierte Methode verwendet werden, um eine gewisse Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen unterschiedlichen Testgebieten zu gewährleisten. Die meisten Experimente zur Rinnenerosion, die unter Labor- oder Geländebedingungen durchgeführt wurden, verwendeten Substrate mit unterschiedlichen Korngrößen und natürlichen oder simulierten Niederschlag. Ziel war meist die Entstehung von Rinnennetzwerken zu beobachten, Startbedingungen für Rinnenbildung zu definieren, die Entwicklung der Rinnenmorphologie zu untersuchen, die wichtigsten hydraulischen Parameter wie Fließquerschnitt, benetzten Umfang, hydraulischen Radius, mittlere Fließgeschwindigkeit und shear stress abzuschätzen oder mathematische Modelle zu kreieren, um den Bodenabtrag durch Rinnenerosion abschätzen zu können. Aber es fehlen Untersuchungen zum Verhalten von existierenden Rinnen, natürlichen oder anthropogen entwickelten, unter Geländebedingungen. Um diese Lücke zu schließen wurde eine reproduzierbare Versuchsanordnung entworfen und in verschiedenen Rinnen angewendet um folgende Fragen zu beantworten: Wie hoch ist der Anteil der Rinnenerosion am Bodenabtrag? 2) Wie effektiv sind Rinnen beim Transport von Wasser und Sediment durch ihr Einzugsgebiet? In prozess-basierten Modellen werden verschiedene Prozesse durch mathematische Gleichungen beschrieben. Die Grundlage dieser Formeln ist meist ein hydraulischer Parameter, der in Verbindung zum Abtrag gebracht wird. Der am häufigsten verwendete Parameter ist der shear stress, von dem angenommen wird, dass er ein lineares Verhältnis zu Erosionsparametern wie detachment rate, detachment capacity oder Sedimentkonzentration aufweist. Aus dem shear stress lassen sich weitere Parameter wie unit length shear force oder verschiedene Varianten der stream power berechnen. Die verwendeten Erosions- und hydraulischen Parameter ändern sich je nach Forschergruppe. Eine weitere Modellannahme ist, dass die transport rate die trasnport capacity nicht übersteigen kann. Wenn das transport rate vs. transport capacity - Verhältnis 1 übersteigt, verringern Sedimentationsprozesse die Rate bis die transport capacity wieder erreicht ist. Wir untersuchten in Geländeversuchen die folgenden Annahmen: 1) Ist das Verhältnis zwischen transport rate und transport capacity immer kleiner 1? 2) Besteht die lineare Beziehung zwischen verschiedenen hydraulischen Parametern und Bodenabrtagsparametern? 3)Verursachen die selben hydraulischen Parameter, die in verschiedenen Versuchen aufgenommen wurden, auch immer die selben Erosionsparameter?